Лекция 11 Слайд 1 Темы лекции Характеристики электронных пучков.

Лекция 11
Слайд 1
Темы лекции
1.
Характеристики электронных пучков.
2.
Источники ускоренных электронов.
3.
Термоэмиссионные и автоэмиссионные катоды и их
характеристики.
4.
Основные узлы и характеристики электронной пушки.
Лекция 11
Слайд 2
Электронные пучки принято разбивать на два класса:
Электронные пучки, в которых влияние объемного заряда на движение
отдельных электронов пучка пренебрежимо мало.
Электронные пучки, в которых объемный заряд влияет на движение
электронов.
Разбиение пучков на эти классы осуществляется на основании
характеристики, называемой первианс
P = I/U3/2,
где I – ток электронного пучка, U – ускоряющее электроны напряжение. При
Р  0,1 мкА/В3/2 влияния объемного заряда нет, при Р > 0,1 мкА/В3/2
объемный заряд влияет на движение электронов. Например, при U = 100 кВ
для того, чтобы Р > 0,1 мкА/В3/2 ток пучка должен быть > 3 А. В методах
элементного и структурного анализа используются исключительно
низкопервиансные пучки, поэтому движение каждого электрона в пучке
можно рассматривать независимо от движения других электронов.
Лекция 11
Слайд 3
Источники ускоренных электронов до энергии ~ сотни кэВ принято
называть электронными пушками, при больших энергиях – ускорителями
электронов. В дальнейшем речь будет идти об электронных пушках с
низкопервиансными пучками.
Назначение электронной пушки – сформировать электронный пучок с:
требуемой энергией электронов;
требуемой плотностью тока;
требуемой угловой расходимостью;
требуемым сечением на заданном расстоянии от электронной
пушки.
В методах элементного и структурного анализа используются пучки круглого
сечения (аксиально-симметричные), хотя существующие электронные пушки
позволяют получать трубчатые и ленточные пучки.
Лекция 11
Слайд 4
Источником электронов в электронных пушках является электронный
эмиттер.
В подавляющем большинстве электронных пушек используются
термоэлектронные эмиттеры (катоды), основанные на том, что при нагреве
металла происходит увеличение энергии электронов зоны проводимости до
величины, необходимой для преодоления работы выхода е. Плотность тока
термоэлектронной эмиссии определяется формулой Ричардсона
 e 

j0  AT exp  
 kBT 
2
где А – константа (разная для разных материалов), k – постоянная Больцмана,
Т – абсолютная температура эмиттера.
Лекция 11
Слайд 5
Для конкретного материала (заданные е и А) повышение j0 возможно только
за счет повышения Т, однако здесь имеются ограничения, связанные
 с расплавлением термоэмиттера (рабочая температура должна быть
меньше температуры плавления, поэтому используются, как
правило, тугоплавкие материалы);
 с превышением давления насыщенных паров материала
термоэмиттера рабочего давления в электронной пушке ( 10-5 Тор);
 с увеличением скорости испарения материала термоэмиттера с
повышением температуры, что приводит к сокращению его срока
службы.
Лекция 11
Слайд 6
Из чистых металлов наиболее распространенным материалом
термоэлектронных эмиттеров является вольфрам (е = 4,5 эВ; А = 67
А/см2К), обладающий наименьшей скоростью испарения (наибольшим
сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую эмиссию.
Для вольфрама Тплавл = 3650 К, Трабоч = 2623 К, при этой температуре
давление насыщенных паров вольфрама 10-5 Тор. При такой рабочей
температуре плотность тока, отбираемая с вольфрамового термоэмиттера 1
А/см2, скорость испарения 10-8 г/см2.с. Основной недостаток вольфрама –
низкая технологичность. Его трудно обрабатывать, он хрупок, особенно
после нагрева. Для преодоления этих недостатков к нему добавляют 5% или
20% рения (сплавы ВР-5 и ВР-20).
Благодаря высокой рабочей температуре вольфрамового катода на нем мало
что сорбируется, а то, что сорбируется, и образует с вольфрамом соединения
в большинстве случаев быстро испаряется. Поэтому вольфрамовый катод
известен как наименее чувствительный к условиям эксплуатации.
Лекция 11
Слайд 7
Помимо вольфрама в качестве материала термоэмиттера в электронных
пушках также широко применяются монокристаллы из гексаборида
лантана (LaB6), имеющие следующие характеристики:
е = 2,66 эВ,
А = 40 А/см2К,
Тплавл = 2540 К.
Диапазон рабочих температур 1673-1973 К, при этом j0 = 1-30 А/см2.
Поскольку чем выше рабочая температура, тем сложнее теплоотвод, то
термоэмиттеры из LaB6 имеют значительное преимущество перед W, так как
при более низкой рабочей температуре у них значительно выше плотность
отбираемого тока. Недостатком термоэмиттеров из LaB6 является более
низкое рабочее давление, чем у W.
Лекция 11
Слайд 8
По конструкции термоэмиттеры делятся на прямонакальные (W, W-Re,),
в которых разогрев осуществляется пропусканием электрического тока через
металлическую проволочку, изогнутую в виде шпильки с радиусом
закругления острия ~ 0,1 мм.
термоэмиттеры с косвенным подогревом – обычно из гексаборида
лантана. Разогрев термоэмиттера до рабочей температуры осуществляется
тепловым излучением нагревателя – W-проволочки, нагреваемой
пропусканием электрического тока.
Лекция 11
Слайд 9
Помимо термоэлектронных эмиттеров в электронных пушках также
используют автоэлектронные эмиттеры, работа которых основана на
автоэлектронной эмиссии – испускание электронов проводящим
твердым телом под действием внешнего электрического поля E
достаточно высокой напряженности. Автоэлектронная эмиссия сугубо
отечественный термин, в зарубежной литературе это явление называется
полевой электронной эмиссией.
Плотность тока j0 автоэлектронной эмиссии из металлов в вакуум следует
закону Фаулера – Нордгейма
j0  C1 E 2 exp( C2 / E )
C1  e3 / 8πht 2 ( y) ,
C2 
8π 2me 3 / 2
  ( y)
3he
где mе - масса электрона,  – потенциал работы выхода е металла, t и табулированные функции аргумента y  e eE / 
Лекция 11
Слайд 10
Если положить t 2 ( y)  1,1  ( y)  0,95  1,03 y 2
и подставить значения констант,
то получим приближенную формулу, достаточную для практических
расчетов
j  1,4 10
6
3/ 2


7
exp  6,83 10
 ( y )

E


E2
j в А/см2, Е в В/см и  в В.
Зависимость плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности
электрического поля для вольфрама ( = 4,5 В).
j 108-109 А/см2
1 10
9
1 10
j0, А/см2
8
при Е = 80-100 МВ/см.
1 10
7
1 10
6
1 10
5
1 10
4
1 10
3
100
10
3
4
5
6
7
8
9
10
Подобные напряженности поля
получают используя острия
с радиусом закругления
Е, 107 В/см
20-50 Å.
Лекция 11
Слайд 11
Автоэлектронные эмиттеры могут работать
при комнатной температуре;
при
температуре
немного
меньшей,
чем
температура
начала
термоэлектронной эмиссии (1600-1800 К).
В первом случае энергетический разброс электронов не превышает 0,3-0,5
эВ, во втором случае 0,6-0,8 эВ.
Однако при эксплуатации автоэлектронного эмиттера при комнатной
температуре на его поверхности появляются загрязнения в виде адсорбатов
остаточных газов, которые генерируют шум электронной эмиссии и
вызывают ее нестабильность. Поэтому периодически подобные эмиттеры
требуют прогрев (т.н. процедура вспышки).
Лекция 11
Слайд 12
Принципиальная схема электронной пушки
модулятор
катод
-
U
+
d0
анод
α
Лекция 11
Слайд 13
Электронная пушка состоит из следующих основных узлов:
1.Электронный эмиттер (катод).
2.Управляющий электрод  модулятор  электрод Венельта.
Анод с последующей системой фокусирующих электродов.
Испущенные
катодом электроны ускоряются к заземленному аноду
разностью потенциалов U, которая определяет энергию электронов еU.
Между катодом и анодом располагается управляющий электрод (модулятор),
ось которого совпадает с острием катода. Модулятор находится под большим
отрицательным потенциалом (от 0 до ~ 500 В) чем катод за счет падения
напряжения на регулирующем резисторе (электрическая цепь катод –
заземленный
положительный
полюс
высоковольтного
замыкается потоком электронов, испускаемых катодом).
выпрямителя
Лекция 11
Слайд 14
Подобное расположение катода, модулятора и анода приводит к тому, что
испущенные катодом электроны фокусируются за модулятором в пятно
минимального диаметра d0. Плоскость с этим пятном называется плоскостью
кроссовера или просто кроссовером. Из кроссовера электронный пучок
выходит с угловой расходимостью   10-3 радиан.
Максимальная плотность электронного тока в кроссовере jз (не путать с j0)
определяется выражением
jз = 4Iз/4 d02
Если бы последующие электронные линзы не имели аббераций, то плотность
тока на образце была бы равна jз.
Используемые в различных методах анализа электронные пушки с
термоэмиттерами имеют значения jз до десятков А/см2 при диаметре
кроссовера сотни нм. У электронных пушек с автоэлектронными
эмиттерами jз те же десятки А/см2, но d0 десятки нм.
Абсолютные значения тока Iз 10-2-10-3 мкА.
Лекция 11
Слайд 15
Яркость электронной пушки, которая определяется как плотность тока в единицу
телесного угла. Так как  - малый угол, то телесный угол охватывающий
расходящийся пучок есть 2, поэтому
яркость электронной пушки
= jз /2
Зависимости Iз и  от напряжения смещения, равного разности потенциалов
между катодом и модулятором
Iз
При малой величине Uсм фокусирующее действие модулятора слабо
и на электроны действует только ускоряющее поле анода,
поэтому Iз велико. Поскольку фокусировка слабая,
то в кроссовере  велико и, соответственно,  мало.

При увеличении напряжения смещения часть
электронов тормозится и заворачивается к катоду,
при этом Iз падает. Яркость вначале растет за счет
Uсм
уменьшения , более быстрого, чем падение Iз, затем
 падает (Iз становится совсем малым).